Elektrický proud. Zdroje elektrického proudu • 8. ročník • Fyzika

Objevy související s elektřinou dramaticky změnily naše životy. Využitím elektrického proudu jako zdroje energie lidstvo dosáhlo průlomu v technologiích, které nám usnadnily existenci. Dnes elektřina pohání soustruhy, auta, řídí robotická zařízení a zajišťuje komunikaci. Seznam by mohl pokračovat donekonečna. Je dokonce těžké pojmenovat odvětví, kde by se člověk bez elektřiny obešel.

Jaké je tajemství tak masivního využívání elektřiny? Koneckonců, v přírodě existují i jiné zdroje energie, které jsou levnější než elektřina. Ukazuje se, že jde jen o dopravu.

Elektřinu lze dodat téměř kamkoli:

• do výrobní dílny;
• byt;
• na hřišti;
• do dolu, pod vodu atd.

Elektřinu uloženou v baterii si můžeme nosit všude s sebou. Používáme ji každý den, když si s sebou bereme mobilní telefon. Žádná jiná forma energie nemá tak univerzální vlastnosti jako elektřina. Není to dostatečný důvod k podrobnějšímu studiu podstaty a vlastností elektřiny?

Co je elektrický proud?

Elektrické jevy byly pozorovány již dlouhou dobu, ale lidé byli schopni vysvětlit jejich podstatu relativně nedávno. Úder blesku se zdál nepřirozený, nevysvětlitelný. Praskání některých předmětů při tření se zdálo zvláštní. Hřeben třpytící se ve tmě po česání srsti zvířat (například kočky) vyvolal zmatek, ale zároveň podnítil zájem o tento jev.

Jak to všechno začalo

Už staří Řekové věděli, že jantar, když se tře o vlnu, dokáže přitahovat drobné předměty. Mimochodem, řecký název jantaru, „elektron“, je zdrojem názvu „elektřina“.

Když fyzici začali studovat elektrifikaci těles, začali chápat podstatu těchto jevů. A první krátkodobý elektrický proud vytvořený člověkem se objevil, když byly dva elektrizované objekty spojeny vodičem (viz obr. 1). V roce 1729 Angličané Gray a Wheeler objevili vodivost nábojů některými materiály. Nebyli však schopni definovat elektrický proud, ačkoli chápali, že náboje se pohybují z jednoho tělesa na druhé vodičem.

O elektrickém proudu jako fyzikálním jevu se začalo diskutovat až poté, co Ital Volta vysvětlil Galvaniho experimenty a v roce 1794 vynalezl první zdroj elektřiny na světě – galvanický článek (Voltův sloup). Zdůvodnil uspořádaný pohyb nabitých částic po uzavřeném obvodu.

Definice

V moderní interpretaci se elektrický proud nazývá směrovaný pohyb nabitých částic silami elektrického pole. Elektrony jsou nosiči náboje kovových vodičů a záporné a kladné ionty jsou nosiči náboje kyselých a solných roztoků. Elektrony a „díry“ jsou nosiči náboje polovodičů.

Aby mohl existovat elektrický proud, je nutné neustále udržovat elektrické pole. Musí existovat potenciálový rozdíl, který zachovává první dvě podmínky. Dokud jsou tyto podmínky splněny, náboje se budou pohybovat uspořádaně po úsecích uzavřeného elektrického obvodu. Tento úkol plní zdroje elektřiny.

Takové podmínky lze vytvořit například pomocí elektroforického stroje (obr. 2). Pokud se dva disky otáčejí v opačných směrech, budou nabity opačnými náboji. Na kartáčích sousedících s disky se objeví potenciálový rozdíl. Propojením kontaktů vodičem dosáhneme uspořádaného pohybu nabitých částic. To znamená, že elektroforický stroj je zdrojem elektřiny.

Aktuální zdroje

Prvními zdroji elektrické energie, které našly praktické uplatnění, byly výše zmíněné galvanické články. Vylepšené galvanické články (lidově známé jako baterie) se dodnes hojně používají. Používají se k napájení dálkových ovladačů, elektronických hodinek, dětských hraček a mnoha dalších zařízení.

S vynálezem generátorů střídavého proudu dostala elektřina druhý vítr. Začala éra elektrifikace měst a později všech obydlených oblastí. Elektrická energie se stala dostupnou všem občanům rozvinutých zemí.

Lidstvo dnes hledá obnovitelné zdroje elektřiny. Solární panely a větrné elektrárny již zaujímají své místo v energetických systémech mnoha zemí, včetně Ruska.

Vlastnosti

Elektrický proud je charakterizován veličinami, které popisují jeho vlastnosti.

Síla a hustota proudu

Termín „proud“ se často používá k popisu charakteristik elektřiny. Název není příliš dobrý, protože charakterizuje pouze intenzitu pohybu elektrických nábojů, a nikoli nějakou sílu v doslovném smyslu. Přesto se tento termín používá a znamená množství elektřiny (nábojů) procházející rovinou průřezu vodiče. Jednotkou měření proudu v soustavě SI je ampér (A).

1 A znamená, že za jednu sekundu projde průřezem vodiče elektrický náboj o síle 1 C. (1 A = 1 C/s).

Hustota proudu je vektorová veličina. Vektor směřuje ve směru pohybu kladného náboje. Modul tohoto vektoru se rovná poměru síly proudu v určitém průřezu vodiče kolmém ke směru pohybu náboje k ploše tohoto průřezu. V soustavě SI se měří v A/m². Hustota výstižněji charakterizuje elektřinu, ale v praxi se častěji používá veličina „síla proudu“.

Potenciální rozdíl (napětí) na úseku obvodu je vyjádřen poměrem: U = I×RKde U – napětí, I – síla proudu a R – odpor. Toto je slavný Ohmův zákon pro část obvodu.

Moc

Elektrické síly vykonávají práci proti aktivnímu a jalovému odporu. Na pasivních odporech se práce přeměňuje na tepelnou energii. Výkon je práce vykonaná za jednotku času. V souvislosti s elektřinou se používá termín „ztráta tepla“. Fyzici Joule a Lenz dokázali, že ztráta tepla vodiče se rovná proudu vynásobenému napětím: P = I× UJednotkou měření výkonu je watt (W).

Frekvence

Střídavý proud je také charakterizován frekvencí. Tato charakteristika ukazuje, jak se mění počet period (oscilací) za jednotku času. Jednotkou frekvence je hertz. 1 Hz = 1 perioda za sekundu. Standardní frekvence průmyslového proudu je 50 Hz.

Zkreslený proud

Termín „posuvný proud“ byl zaveden pro přehlednost, ačkoli v klasickém smyslu jej nelze nazývat proudem, protože nedochází k přenosu náboje. Na druhou stranu intenzita magnetického pole závisí na vodivosti a posuvných proudech.

V kondenzátorech lze pozorovat posuvné proudy. Přestože během nabíjení a vybíjení nedochází k žádnému pohybu náboje mezi deskami kondenzátoru, protéká kondenzátorem posuvný proud a uzavírá elektrický obvod.

Druhy proudu

Podle způsobu vzniku a vlastností může být elektrický proud stejnosměrný nebo střídavý. Stejnosměrný proud je takový, který nemění svůj směr. Protéká vždy jedním směrem. Střídavý proud periodicky mění směr. Střídavý proud je jakýkoli proud kromě stejnosměrného. Pokud se okamžité hodnoty opakují v neměnné posloupnosti ve stejných intervalech, pak se takový elektrický proud nazývá periodický.

Klasifikace střídavého proudu

Časově proměnné proudy lze klasifikovat následovně:

1. Sinusový, který se v čase řídí sinusovou funkcí.
2. kvazistacionární – proměnný, pomalu se měnící v čase. Běžné průmyslové proudy jsou kvazistacionární.
3. Vysokofrekvenční – jehož frekvence přesahuje desítky kHz.
4. Pulzující – jehož puls se periodicky mění.

Rozlišují se také vířivé proudy, které vznikají ve vodiči při změně magnetického toku. Bludné Foucaultovy proudy, jak se jim také říká, neprotékají vodiči, ale tvoří vířivé obvody. Indukční proud má stejnou povahu jako vířivý proud.

Driftová rychlost elektronů

Elektřina se šíří kovovým vodičem rychlostí světla. To ale neznamená, že nabité částice se pohybují od pólu k pólu stejnou rychlostí. Elektrony v kovových vodičích narážejí na odpor atomů na své cestě, takže jejich skutečný pohyb je pouze 0,1 mm za sekundu. Skutečná, uspořádaná rychlost pohybu elektronů ve vodiči se nazývá drift.

Pokud zkratujete póly zdroje energie s vodičem, vytvoří se kolem vodiče elektrické pole rychlostí blesku. Čím větší je elektromotorické síla zdrojů, tím silnější je intenzita elektrického pole. V reakci na intenzitu nabité částice okamžitě zaujmou uspořádaný pohyb a začnou driftovat.

Směr elektrického proudu

Tradičně se předpokládá, že vektor elektrického proudu směřuje k zápornému pólu zdroje. Ve skutečnosti se však elektrony pohybují ke kladnému pólu. Tato tradice vznikla proto, že směr vektoru byl zvolen tak, aby odpovídal pohybu kladných iontů v elektrolytech, které ve skutečnosti směřují k zápornému pólu.

Vodivostní elektrony se záporným nábojem v kovech byly objeveny později, ale fyzici nezměnili své původní přesvědčení. Tím se posílilo tvrzení, že proud směřuje od plusu k mínusu.

Elektrický proud v různých prostředích

V kovech

Nosiči proudu v kovových vodičích jsou volné elektrony, které v důsledku slabých elektrických spojení chaoticky putují v krystalových mřížkách (obr. 3). Jakmile se ve vodiči objeví elektromotorické pole, elektrony začnou uspořádaně driftovat směrem ke kladnému pólu zdroje energie.

V důsledku průchodu proudu vzniká odpor vodičů, který brání toku elektronů a vede k zahřívání. V případě zkratu je uvolnění tepla tak silné, že zničí vodič.

V polovodičích

V normálním stavu polovodič nemá žádné volné nosiče náboje. Pokud však propojíte dva různé typy polovodičů, při přímém spojení se z nich stane vodič. Děje se to proto, že jeden typ má kladně nabité ionty (díry) a druhý má záporné ionty (atomy s elektronem navíc).

Pod napětím se elektrony z jednoho polovodiče spěchají, aby nahradily (rekombinovaly) díry v jiném. Dochází k uspořádanému pohybu volných nábojů. Tento typ vodivosti se nazývá elektron-dírová vodivost.

Ve vakuu a plynu

Elektrický proud je možný i v ionizovaném plynu. Náboj nesou kladné a záporné ionty. Ionizace plynů je možná vlivem záření nebo v důsledku silného zahřívání. Pod vlivem těchto faktorů dochází k excitaci atomů, které se mění na ionty (obr. 4).

Ve vakuu se elektrické náboje nesetkávají s odporem, proto se nabité částice pohybují rychlostí blízkou rychlosti světla. Nositeli náboje jsou elektrony. Pro generování proudu ve vakuu je nutné vytvořit zdroj elektronů a dostatečně velký kladný potenciál na elektrodě.

Příkladem by mohl být provoz vakuové trubice nebo katodové trubice.

V tekutinách

Hned si to ujasněme – ne všechny kapaliny jsou vodiče. Elektrický proud je možný v kyselých, alkalických a solných roztocích. Jinými slovy – v prostředích, kde jsou nabité ionty.

Pokud do roztoku ponoříte dvě elektrody a připojíte je k pólům zdroje, proteče mezi nimi elektrický proud (obr. 5). Působením elektromagnetického pole se kationty budou hnát ke katodě (mínus) a anionty k anodě. V tomto případě dojde k chemickému účinku na elektrody – atomy rozpuštěných látek se na nich usadí. Tento jev se nazývá elektrolýza.

Pro lepší pochopení vlastností elektrického proudu v různých prostředích doporučuji podívat se na obrázek na obrázku 6. Věnujte pozornost voltampérovým charakteristikám (4. sloupec).

Vodiče elektrického proudu

Z mnoha látek jsou jen některé vodiče. Mezi dobré vodiče patří kovy. Důležitou vlastností vodiče je jeho měrný odpor.

Následující mají malý odpor:

• všechny drahé kovy;
• měď;
• hliník
• cín;
• Vést.

V praxi se nejčastěji používají hliníkové a měděné vodiče, protože nejsou příliš drahé.

elektrická bezpečnost

Přestože se elektřina stala nedílnou součástí našich životů, neměli bychom zapomínat na elektrickou bezpečnost. Vysoké napětí je životu nebezpečné a zkraty způsobují požáry.

Při provádění oprav je nutné přísně dodržovat bezpečnostní pravidla: nepracujte pod vysokým napětím, používejte ochranný oděv a speciální nářadí, používejte uzemňovací nože atd.

V běžném životě používejte pouze elektrická zařízení, která jsou určena pro provoz v příslušné síti. Nikdy neinstalujte „štěnice“ místo pojistek.

Nezapomeňte, že výkonné elektrolytické kondenzátory mají velkou elektrickou kapacitu. Energie v nich uložená může způsobit poškození i několik minut po odpojení od sítě.

V námi zkoumaných elektrických jevech jsme neustále pozorovali pohyb elektrických nábojů. Z mechaniky víte, že pokud dojde k pohybu, pak je práce hotová.

Jaký druh práce se vykonává, když se elektrické náboje pohybují? Žárovky v našich domech a bytech, všechny elektrické spotřebiče, které každodenně používáme – to vše je důsledkem práce elektrického pole při přesunu nábojů.

Okamžitě vyvstává další logická otázka. Jak se tyto poplatky pohybují? Co je přiměje k pohybu? Už jste všichni slyšeli o elektrický proud, ale ještě jsme nenahlédli dovnitř tohoto fenoménu pomocí nástrojů fyziky.

V této lekci se dozvíte, co se přesně nazývá elektrický proud a jak se vyrábí.

Elektrický proud

Samotné slovo“proud„naznačuje pohyb.

Některá tělesa (vodiče) mají volné elektrony, které mohou nést elektrický náboj. Tento náboj bude záporný, protože to je přesně to, co elektrony mají.

Jsou v tělesech nějaké další částice, které mohou nést náboj? Ukazuje se, že existuje.

Pokud jsou běžné atomy elektricky neutrální, pak ionty mít nějaký náboj. Může být jak negativní, tak pozitivní. Tyto částice jsou větší než elektrony, ale mohou také nést elektrický náboj.

To znamená, že elektrony nebo ionty se mohou nějakým způsobem pohybovat ve vodičích. Zde následuje definice elektrického proudu (obrázek 1).

Elektrický proud je uspořádaný (řízený) pohyb nabitých částic.

Upozorňujeme, že se jedná o pohyb režírovaný, není přeplněný. Když říkáme, že tělem protéká proud, máme na mysli určitý směr. Budeme mluvit o tom, jakým směrem to je samostatná lekce.

K tomu potřebujeme dvě tyče: železo a měď. Zapíchneme je do citronu a spojíme vodičem. Vznikne v něm elektrický proud.

To znamená, že citronová šťáva vstupuje do chemických vazeb s deskami, což způsobuje oddělení náboje. Připojením zařízení na měření proudových charakteristik k tomuto systému pouze zajistíme, že jsme vytvořili zdroj proudu z odpadových materiálů.

Přeměna mechanické energie na elektrickou energii

Chcete-li oddělit nabité částice v zařízení, které se stane zdrojem proudu, musíte provést nějaký druh práce. Při této práci se část energie přemění na elektrickou energii.

Ale energie nemůže přijít odnikud. To znamená, že samotný zdroj proudu vyžaduje nějaký druh energie.

Například u vodní elektrárny existuje přeměna mechanické energie proudu vody na elektřinu (obrázek 3).

Staví se přehrada a nádrž. Voda z něj pod vlivem gravitace stéká dolů. Roztáčí tedy hydraulickou turbínu. K hydraulické turbíně je připojeno zařízení jako je elektrický generátor (více o něm na konci lekce). Už z něj vychází elektrická energie. Proud protéká dráty a vstupuje do našeho domova.

Podívejme se na další příklad, ve kterém se mechanická energie přeměňuje na elektrickou energii.

To se děje v zařízení tzv elektroforový stroj (obrázek 4).

Skládá se ze dvou plastových disků 1. Je mezi nimi krátká vzdálenost. Otáčením rukojeti umístěné na zadní ploše stroje uvedeme do pohybu dva kotouče. Budou se otáčet různými směry.

V důsledku toho se elektrizují v důsledku tření o malou vzduchovou mezeru mezi nimi. Náboje se hromadí v Leydenských sklenicích 2. Odtud jsou přenášeny do vodičů 3.

V důsledku toho se na jednom vodiči vytvoří kladný náboj a na druhém záporný náboj. V určitém okamžiku, když se přiblíží, se objeví krátkodobý proud ve formě elektrického výboje, který vypadá jako malý blesk.

Tak mechanická energie otáčení rukojeti stroje se změnila na elektrickou energii.

Přeměna vnitřní energie na elektrickou energii

Nyní uvažujme přeměnu vnitřní energie na energii elektrickou. Chcete-li to provést, vezměte dva dráty a připájejte je k sobě. A pak tento spoj zahřejeme (obrázek 5).

V důsledku tohoto ohřevu vznikne v drátu elektrický proud. Zařízení připojené k našemu drátu se nazývá galvanometr. Na princip jeho fungování se podíváme později, ale zatím budeme pomocí tohoto zařízení zjišťovat přítomnost elektrického proudu ve vodiči. Šipka se vychyluje – je tam proud, šipka zůstává na místě – není proud.

Takový zdroj proudu, sestávající z ohřívače a spoje drátů vyrobených z různých kovů, se nazývá termoelement.

V termoprvcích se vnitřní energie přeměňuje na elektrickou energii.

Přeměna energie záření na energii elektrickou

Podívejme se na další zajímavou transformaci energií. Vezměme si desku křemíku (nebo oxidu mědi, selenu). Namíříme na něj rozsvícenou lampu (obrázek 6).

Znovu uvidíme, že vodičem protéká proud. V tomto případě deska ztrácí svůj záporný elektrický náboj a ztrácí elektrony.

Takto se energie záření (světlo z lampy) mění na elektrickou energii. Tento jev se nazývá fotoefekt, a takovým zdrojem proudu je fotobuňka.

Na střední škole se budete podrobněji věnovat termočlánkům a fotobuňkám.

Galvanický článek

Jedním z nejběžnějších současných zdrojů je galvanický článek. Využijeme to při různých experimentech. Proto se na něj podíváme podrobněji.

Co je to jednoduchými slovy galvanický článek? Toto je nám všem dobře známá baterie.

Pojďme se podívat dovnitř (obrázek 7), abychom zjistili, jak to funguje.

Tento prvek je v podstatě (obrázek 7, b) zinkové tělo 2, uvnitř kterého je uhlíková tyč 3. Na horním konci této tyče je kovový kryt 1.

Tyč je obklopena směs 4 oxid manganu (IV) $MnO_2$ a drcený uhlík $C$. Mezi touto směsí a samotným tělem je rosolovitý solný roztok 5 (chlorid amonný $NH_4Cl$).

Jaký to má smysl? Faktem je, že zinek $Zn$, ze kterého je tělo vyrobeno, interaguje s chloridem amonným $NH_4Cl$. Probíhá chemická reakce. Zinková nádoba získává záporný náboj.

Ale oxid manganatý má kladný náboje. Uhlíková tyč jej přenese na kovové víko.

Máme tedy záporně nabité tělo a kladně nabitou tyč. Budou povoláni elektrody. Mezi nimi vzniká elektrické pole.

Samotný pojem elektroda je synonymem pojmu pól. „Elektroda“ se více používá při popisu elektrických jevů a zařízení a „pól“ se častěji používá, když se mluví o magnety.

Propojme tyto dvě elektrody vodičem. Bude jím protékat elektrický proud. Tak energie chemických reakcí se přeměňuje na elektřinu.

baterie

Dalším velmi oblíbeným zdrojem proudu je akumulátor. Je to stejná baterie, ale nyní ji lze mnohokrát dobíjet (obrázek 8, a).

Jak funguje baterie? Jeho nejjednodušší verze se skládá ze dvou olověných desek umístěných v roztoku kyseliny sírové (obrázek 8, b). Desky budou elektrody, čímž vzniká elektrické pole.

Ale zpočátku baterie nevytváří žádné pole. Je potřeba nabít. Chcete-li to provést, vezměte jiný zdroj proudu, připojte jej k baterii a protáhněte jím proud.

Během takového nabíjení se uvnitř baterie začnou dít věci. chemické reakce. Jedna elektroda (deska) se nabije kladně a druhá záporně.

Nyní se baterie sama stává zdrojem proudu. Má dva póly, označené plus (+) a mínus (-).

Pamatujte, že při nabíjení baterie je důležité zachovat správné připojení k jinému zdroji energie. Kladný pól baterie by měl být připojen ke kladnému pólu zdroje proudu a záporný pól k zápornému pólu.

Baterie, kterou jsme uvažovali, se nazývá vést (na základě materiálu desky) popř kyselý (podle názvu kapaliny, která jej plní).

Spolu s kyselými bateriemi jsou také široce používány. alkalické (nebo nikl) baterie. Možná si myslíte, že v takovém zařízení by byly dvě desky vyrobeny z niklu, ale ve skutečnosti je z niklu pouze jedna. Druhý je vyroben z lisovaného železného prášku.

Existují i ​​další typy baterií: lithium-iontové, lithium-polymerové, gelové baterie, nikl-metal hybridní.

Bateriové aplikace

Používání baterií je tak rozšířené, že i nyní, při studiu této lekce, používáte baterie. Jsou v našich telefonech, počítačích, tabletech.

Většina druhů dopravy také spoléhá na baterie. Motor auta se nespustí, pokud je vybitá baterie pod kapotou. Baterie pohánějí stavební stroje, zemědělské stroje a dokonce i letadla. Moderní elektromobily mají v samém jádru výkonnou baterii.

Baterie hrají v nouzových situacích velkou roli: dokážou udržet ostatní elektrická zařízení v provozu dostatečně dlouho, aby vyřešily problémy.

Typy nabíječek

Pokud baterie vyžadují nabíjení, pak existují speciální zařízení, pomocí kterých to lze provést – nabíjecí zařízení.

Jsou klasifikovány podle mnoha parametrů.

Podle způsobu nabíjení:

• S konstantním proudem
  Poskytuje rychlé nabíjení, ale způsobuje rychlejší opotřebování baterií
• S konstantním napětím
  Pomalejší nabíjení, ale bezpečnější pro baterii
• smíšený typ
  Kombinují dva výše uvedené typy, takže jsou tou nejlepší volbou. Dokáže zvýšit kapacitu baterie a prodloužit její životnost

Podle způsobu použití:

V závislosti na kompatibilitě s jiným zdrojem energie:

• Síť
  Určeno pro připojení do standardních sítí 220 V nebo 380 V, tedy vyžadují jednoduché připojení do zásuvky
• Nabíjecí
  Mají vlastní zásobník energie. Používá se jako záložní disk, který umožňuje nabíjet jiná zařízení, když není přístup k síti
• Automobilový průmysl
  Připojte se přes zapalovač cigaret. S jejich pomocí si v autě nabijete telefon, fotoaparát a další vybavení.
• Bezdrátový
  Nevyžaduje kabelové připojení, přenáší energii bez přímého fyzického kontaktu mezi baterií a zdrojem
• Univerzální
  Kombinuje několik až všechny uvedené typy nabíječek

Generátory

Elektrický proud můžete generovat pomocí speciálního zařízení – generátor.

Generátory přeměňují mechanickou energii na elektrickou, někdy poměrně složitými způsoby.

Používají se ve všech vozidlech k výrobě elektřiny, když je vozidlo v pohybu. Tato energie se také využívá k nabíjení baterie.

Generátory jsou umístěny v elektrárnách, vodních elektrárnách a jaderných elektrárnách Generátory se používají k výrobě elektřiny. Existují dokonce geotermální elektrárny, které mají generátory elektrického proudu. V takových místech je sytá pára z vrtané studny směrována do parních turbín napojených na generátory. Vnitřní energie páry se tedy změní na mechanickou energii a poté na elektrickou energii.